Титан и его сплавы. Структура и свойства титана. Сплавы титана

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

§ I. СТРУКТУРА. И СВОЙСТВА ТИТАНА

Титан среди других металлов выделяется высокой прочностью при комнатной и повышенных температурах (см. табл. 55), хо­рошей коррозионной стойкостью и рядом других ценных качеств. Кроме этого, он имеет небольшой удельный вес (4,5 г/см³) и ши­роко распространен в земной коре.

По природным запасам титан занимает четвертое место пос­ле алюминия, железа и магния.

       Отрицательными    качествами    титана    является его высокая  реакционная способность при повышенных температурах к взаимодействию почти со всеми газами, в том   числе с кислородом, азотом, водородом, а также со всеми материалами плавильных тиглей (кроме окиси тория). Последнее создает большие трудно­сти в процессе плавки и литья. Взаимодействие титана с газами и другими элементами характеризуется соответствующими диа­граммами состояния.

Кислород, азот и водород (рис. 127—129) обладают значи­тельной растворимостью в твердом титане. Кроме этого, они образуют с титаном хрупкие химические (соединения, которыерезко снижают его ударную вязкость, способность кпластиче­ской деформации и коррозионную стойкость.  Подобно газовым примесям ведет себя углерод (рис. 130).  Последний при высоких температурах также заметно растворя­ется в титане, но при понижении температуры почти полностью выделяется виде карбида титана TiC, обладающего большой твердостью и хрупкостью.

Влияние газовых примесей (N₂, О2) и углерода на механиче­ские свойства титана показано на рис. 131 —133. В настоящее время промышленностью выпускается ряд марок титана различ­ной  степени  чистоты .

Для той и другой аллотропической формы и равновесном (отожженном) состоянии характерна полиэдрическая структура (см. рис. 157 атласа).

При быстром охлаждении (например, при литье, закалке) ти­тан имеет игольчатую структуру, подобную мартенситу в сталях (рис. 158 атласа).

На температуру перехода ά-фазы в β-фазу оказывают влия­ние различные примеси и специально вводимые легирующие ком­поненты. Большинство элементов понижает температуру превра­щения, расширяя область β-фазы и делая ее устойчивой даже при комнатной температуре (рис. 134). Такие элементы называ­ются стабилизаторами β-фазы. К ним относятся переходные ме­таллы: ниобий, тантал, молибден, железо, хром, марганец, вана­дий и др.

Однако существует несколько элементов, которые повышают температуру перехода ά-фазы в β-фазу, расширяя область ά-фа­зы (рис. 135). К числу стабилизаторов ά-фазы относятся: алю­миний, бор, кислород, азот, углерод.

Титан высокой чистоты, полученный диссоциацией йодидиых соединений, имеет умеренную прочность (предел прочности σ_ь =25—29 кг/мм², σ,= 15—19 кг/мм²) и высокую пластичность δ = 56—64%, ψ= 85%).

Технический титан, загрязненный различными примесями (до 0,25% кислорода, около 0,1% азота и др.) имеет более высокую прочность (σ_ь = 55—65 кг/мм²) и пониженную пластичность (δ = 30—25%).

С повышением температуры прочность титана резко снижается и при 400° составляет 23 кг/мм², при 500° 16 кг/мм². Длитель­ная прочность титана очень низкая, при 500° она составляет только 3 кг/мм².

Такие свойства во многих случаях недостаточны для того, чтобы технический титан мог конкурировать с другими промыш­ленными сплавами (например, со сталью и алюминиевыми спла­вами) .

Сплавы на основе титана имеют более высокую прочность.
Влияние некоторых легирующих компонентов на механические
свойства титана показано на рис. 136. 

Взаимодействие титана с различными элементами определя­ется диаграммами состояния, приведенными в приложении VIII.

§ 2. СПЛАВЫ ТИТАНА

Промышленные сплавы титана находятся еще в начальной стадии разработки, но уже первые полученные результаты по­зволяют говорить об их перспективности.

Титановые сплавы по своей удельной прочности (прочности, отнесенной к удельному весу) стоят выше специальных сталей наиболее   прочных   алюминиевых   и   магниевых   сплавов   (см. табл. 57).

Некоторые составы титановых сплавов, разработанных в СССР и за рубежом, даны в табл. 58—60.

По своей структуре   титановые сплавы можно   разделить на три группы: 1)  однофазные   сплавы—ά, 2) двухфазные   спла­вы— ά + β, 3) однофазные сплавы — β

Типовые структуры ά- и ά + β-сплавов даны на рис. 159, 160, 161 и 162 атласа.

В литом и закаленном состояниях титановые сплавы (за исключением β-сплавов), подобно чистому титану (см. рис. 158 атласа), имеют игольчатую мартенситоподобную структуру.

В отличие от чистого титана, игольчатая фаза в сплавах яв­ляется промежуточной, метастабильной фазой, образующейся при переходе β в а-фазу.

Эта нестабильная фаза, в противоположность стабильной а-фазе, обычно обозначается а'. Она имеет ту же кристаллическую решетку, что и а-фаза, но с некоторым искажением ее формы и размеров подобно мартенситу в сталях. При длительном нагреве а'-фаза переходит в стабильную а-фазу.

На характер образования мартенситной а'-структуры и тем­пературу мартенситного превращения существенное влияние оказывают различные примеси (рис. 137).

В литературе имеются указания на то, что при низких
температурах в сплавах титана с переходными элементами
(хром, марганец, железо, молибден, ванадий) при больших ко­
личествах легирующих элементов (достаточных для подавления
мартенситного превращения) при закалке из β-области может
иметь место распад β-фазы по реакции:                  

βо→β+ ω→βе+ά,

где β₀  — первоначальная р-фаза;

β  — фаза β, обогащенная легирующим компонентом; β_е— фаза β равновесного состава;

ω   —промежуточная фаза с решеткой когерентной остаточ­ной β-фазы; ά   — стабильная низкотемпературная фаза.

Появление ω-фазы сопровождается увеличением концентра­ции легирующего элемента в остаточной β-фазе, кото­рое проявляется на рентгенограммах уменьшением периода ре­шетки.

При низкотемпературном старении при образовании ω-фазы, ά-фаза не обнаруживается. С образованием ά-фазы ω-фаза исче­зает и остаточная β-фаза принимает равновесный состав (фаза βе).

Образование мартенситной ά'-фазы и фазы ω способствует снижению пластичности сплавов, проявлению хрупкости и т. д. Особенно отрицательно это оказывается на качестве сварных швов, где образование игольчатой хрупкой мартенситной струк­туры резко снижает угол загиба сварного шва и вызывает по­явление трещин.

Было замечено , что при введении некоторых элементов (Re, Zr, В) в малых количествах (от 0,005 до 0,05—0,1%) плас­тичность многих титановых сплавов и сварных швов можно за­метно улучшить. По-видимому, введение указанных присадок способствует стабилизации β-фазы, подавлению мартенситного превращения и устраняет образование хрупкой ω-фазы.

Однофазные сплавы и малолегированные ά + β-сплавы ха­рактеризуются высокой пластичностью, хорошо воспринимают обработку давлением. Из этих сплавов производятся листы, профили, трубы и другие полуфабрикаты. Двухфазные высоко­легированные сплавы применяются главным образом для полу­чения поковок, прутков и других изделий. Сплавы с β-структурой пока не нашли промышленного применения.